立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器不同撞擊間距下混合性能分析

楊 俠，劉豐良，毛志慧，熊 卉，楊 清

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

研究開發(fā)

立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器不同撞擊間距下混合性能分析

楊 俠，劉豐良，毛志慧，熊 卉，楊 清

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

為優(yōu)化和改進(jìn)立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)布局，提高其混合性能，本文采用 Fluent軟件對(duì)立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器在導(dǎo)流筒不同間距結(jié)構(gòu)下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，反應(yīng)器上下兩導(dǎo)流筒的間距D設(shè)置為60 mm、80 mm、100 mm、120 mm，反應(yīng)在3組轉(zhuǎn)速下分別進(jìn)行w=5 r/s、15 r/s、25 r/s。計(jì)算結(jié)果表明：在相同轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)流筒間距D=80 mm時(shí)的特征撞擊面上的平均速度最大，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)的傳質(zhì)效果更好；在相同轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)流筒間距D=60 mm時(shí)撞擊面徑向速度分布的均方根差σ最大，表明該結(jié)構(gòu)下速度分布的梯度最大，流場(chǎng)剪切混合效果更好。

撞擊流反應(yīng)器；數(shù)值模擬；平均速度；速度梯度

撞擊流是化學(xué)工程領(lǐng)域中一種全新的強(qiáng)化傳質(zhì)技術(shù)與方法，其基本原理是：通過(guò)兩股流體的相向高速撞擊，在撞擊區(qū)產(chǎn)生高度湍動(dòng)，極大地改善混合性能，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)等目的[1-2]。撞擊流技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)研究?jī)?nèi)容限于氣體連續(xù)相及強(qiáng)化相間傳遞上。20世紀(jì)90年代，研究發(fā)現(xiàn)將撞擊流應(yīng)用于液體連續(xù)相能夠顯著強(qiáng)化混合[3]，這一發(fā)現(xiàn)極大地拓展了撞擊流技術(shù)在過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍和價(jià)值，在此基礎(chǔ)上我國(guó)學(xué)者伍沅教授開發(fā)了立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器[5]。立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器（vertical circulative impinging stream reactor，簡(jiǎn)稱VCISR）[6]是一種基于撞擊流原理的新型液相反應(yīng)設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)研究表明[7-8]，與常規(guī)反應(yīng)器相比，VCISR能夠顯著地強(qiáng)化混合，在相同的輸入功率下，制得的產(chǎn)品在粒徑、分布寬度和反應(yīng)所需時(shí)間等參數(shù)方面更具有優(yōu)越性。相關(guān)研究[9-11]通過(guò)對(duì)VCISR槳葉傾角、撞擊錯(cuò)位角等的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，對(duì)VCISR進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)能夠有效地增強(qiáng)其混合強(qiáng)化效果，但對(duì)于導(dǎo)流筒定位布局方面的研究相關(guān)文獻(xiàn)尚較少涉及。有鑒于此，本文作者通過(guò)對(duì)立式撞擊流反應(yīng)器在導(dǎo)流筒不同間距結(jié)構(gòu)下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討不同導(dǎo)流筒間距對(duì)反應(yīng)器混合性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化和改進(jìn)撞擊流反應(yīng)器提供依據(jù)。

圖1 撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1 流場(chǎng)特性的數(shù)值模擬

1.1 物理模型

撞擊流反應(yīng)器設(shè)計(jì)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其主體是一個(gè)外徑φ=30 m、L=460 mm的立式有機(jī)玻璃圓筒，筒內(nèi)上下兩端同軸對(duì)稱安裝有兩個(gè)直徑d=120 mm、長(zhǎng)h=100 mm的導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒間距為D（圖1），導(dǎo)流筒進(jìn)口段軸心處各安裝有一個(gè)螺旋槳。反應(yīng)器螺旋槳選用三葉式推進(jìn)槳，螺旋槳參數(shù)根據(jù)化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械攪拌設(shè)備HG/T 20569—94》選取，結(jié)構(gòu)如圖2所示。坐標(biāo)系的原點(diǎn)選在兩導(dǎo)流筒軸線中點(diǎn)，導(dǎo)流筒軸線為y軸，水平徑向?yàn)閤軸，垂直徑向?yàn)閦軸（圖2）。

1.2 網(wǎng)格模型

數(shù)值模擬采用前處理軟件 Gambit進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，利用Tgrid程序劃分四面體網(wǎng)格，為保證計(jì)算精度下減少計(jì)算量，導(dǎo)流筒內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，其余區(qū)域網(wǎng)格較疏，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖2 撞擊流反應(yīng)器的幾何模型

圖3 網(wǎng)格劃分

1.3 求解條件

采用基于壓力基的隱式求解器，運(yùn)用SIMPLEC算法來(lái)解決壓力速度耦合關(guān)系，由于計(jì)算區(qū)域中同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域，可采用動(dòng)參考系MRF模型來(lái)求解，在動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域之間指定交界面，交界面上的信息通過(guò)插值相互傳遞。

圖4 w=5 r/s 中垂面的速度矢量圖

圖5 w=5 r/s 撞擊面上的速度云圖

對(duì)兩個(gè)槳葉所處的區(qū)域指定為動(dòng)區(qū)域，定義相等的旋轉(zhuǎn)速度，但方向相反，使得流體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引發(fā)出相向的撞擊流動(dòng)。攪拌槳轉(zhuǎn)速w分別為5 r/s、15 r/s、25 r/s。采用導(dǎo)流筒之間的距離D來(lái)定義撞擊流反應(yīng)器的撞擊間距，分別為 60 mm、80 mm、100 mm、120 mm。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)反應(yīng)器流場(chǎng)流動(dòng)為不可壓縮黏性液體、恒溫的湍流流動(dòng)，忽略重力影響，選用蒸餾水為工質(zhì)。物性參數(shù)見表1。

表1 蒸餾水物性參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)值模擬得到撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)。由于撞擊在幾何對(duì)稱面xoz（y=0）最為劇烈且流向在該面由軸向轉(zhuǎn)為徑向，因此選取該面為撞擊面。圖4給出的是w=5 r/s時(shí)反應(yīng)器中垂直面xoy（z=0）的速度矢量圖。定義筒體的兩端為入口區(qū)，導(dǎo)流筒截面至撞擊面之間的區(qū)域?yàn)槌隹趨^(qū)。從圖4中可以看出，在入口區(qū)，兩股流體從入口到撞擊面的流動(dòng)過(guò)程中，由于撞擊作用，軸向速度逐漸轉(zhuǎn)化為徑向速度；在導(dǎo)流筒外壁面附近，流體以撞擊面為中心形成漩渦，在靠近撞擊面處，流體向出口區(qū)流動(dòng)，遠(yuǎn)離撞擊面方向的流體向入口區(qū)流動(dòng)；在出口區(qū)，流體的軸向速度逐漸減小，而徑向速度逐漸增大。同時(shí)分析間距的作用效果發(fā)現(xiàn)，在撞擊間距D=120 mm時(shí)，撞擊區(qū)域軸向速度轉(zhuǎn)化為徑向速度趨于弱化，轉(zhuǎn)化后的徑向速度值較小。

圖5給出的是w=5 r/s時(shí)撞擊面xoz（y=0）上的速度云圖。從圖5可以看出，撞擊區(qū)域特征撞擊面上的等值線分布比較密集，速度梯度比較大，并且速度分布特征隨撞擊間距的變化而改變，混合效果呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。

為進(jìn)一步分析撞擊面處的速度分布，更好地描述不同撞擊間距對(duì)混合效果的影響，在撞擊面的水平徑向（x方向）采集120個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的速度值，比較不同撞擊距離下特征撞擊面徑向的速度分布。從圖6中可以看出，撞擊區(qū)域內(nèi)特征撞擊面上速度沿徑向分布均出現(xiàn)兩個(gè)近似等高的波峰和一個(gè)波谷，且兩個(gè)波峰均出現(xiàn)在導(dǎo)流筒器壁附近，波谷位于軸線中心，說(shuō)明徑向最大速度位于導(dǎo)流筒的近壁面位置，軸向速度在這個(gè)區(qū)域較大程度的轉(zhuǎn)化為徑向速度，徑向速度達(dá)到相對(duì)最大值。

表2給出的是各轉(zhuǎn)速下撞擊面處沿水平徑向方向各點(diǎn)的平均速度值。從表2中可見，在同一操作工況下，徑向平均速度值起初隨著撞擊間距D的增大而減小，隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，當(dāng)撞擊間距D=80 mm時(shí)徑向平均速度值達(dá)到最大，其相應(yīng)波峰的速度值也最大（圖6），說(shuō)明該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器傳質(zhì)效果相對(duì)較好，但繼續(xù)減小撞擊間距在同一轉(zhuǎn)速下撞擊面的徑向平均速度值并未隨之增加，表明并非撞擊間距越小撞擊后的徑向平均速度值就越大，在一定的結(jié)構(gòu)條件下撞擊間距對(duì)傳質(zhì)效果存在最優(yōu)值，這一結(jié)果也為反應(yīng)器的導(dǎo)流筒間距布置提供了有效的參考。

表2 撞擊面徑向沿x方向各點(diǎn)平均速度值 單位：m/s

圖6 w=5 r/s撞擊面區(qū)水平截面x軸上速度分布曲線

一般混合理論認(rèn)為，流場(chǎng)中微團(tuán)間的相對(duì)速度梯度越大其相互間的剪切運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)烈，混合效果越好。本研究通過(guò)引入徑向速度均方根差σ，來(lái)間接表征流團(tuán)間的剪切速率：速度的均方根差越大，速度值的離散程度越高，速度分布的梯度就越大，對(duì)應(yīng)流團(tuán)間的剪切運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)烈，對(duì)混合愈加有利。圖7為在同一轉(zhuǎn)速不同撞擊間距下的均方根差，可以看出，速度均方根差σ與轉(zhuǎn)速大小成正比，與撞擊間距D成反比，當(dāng)撞擊間距D=60 mm時(shí)，各轉(zhuǎn)速下的速度均方根差σ均最大，表明該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器混合效果相對(duì)最好。

圖7 速度分布的均方根差與撞擊間距的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器在不同撞擊間距結(jié)構(gòu)和不同轉(zhuǎn)速條件下的流場(chǎng)，分析得出以下結(jié)論。

（1）撞擊流反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，流體的流動(dòng)呈現(xiàn)出近似鏡像分布，在出口區(qū)，流體的軸向速度逐漸減小，而徑向速度逐漸增大，在撞擊間距D=120 mm時(shí)，撞擊區(qū)域軸向速度轉(zhuǎn)化為徑向速度趨于弱化。

（2）在相同轉(zhuǎn)速下，不同撞擊間距對(duì)應(yīng)的撞擊面徑向速度平均值并不相同，D=80 mm時(shí)的徑向平均速度值最大，傳質(zhì)效果相對(duì)最好，表明并非撞擊間距越小反應(yīng)器的傳質(zhì)效果就越好，在一定的結(jié)構(gòu)條件下撞擊間距對(duì)傳質(zhì)效果存在最優(yōu)值。

（3）在相同轉(zhuǎn)速下，撞擊間距D=60 mm時(shí)撞擊面徑向速度分布的均方根差σ最大，速度分布的梯度最大，撞擊區(qū)域?qū)?yīng)的剪切力最大，更加有利于湍動(dòng)混合。

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M ixing performance of a vertical circulative im pinging stream reactor w ith different spacing

YANG Xia，LIU Fengliang，MAO Zhihui，XIONG Hui，YANG Qing
（School of Mechanical & Electrial Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，Hubei，China）

To optim ize and improve the structure and layout of a vertical impinging stream reactor，the mixing performance can be strengthened，the flow fields w ith different spacing were simulated using the Fluent software. The spacing between the upper and lower draft tubes are set as 60 mm，80 mm，100 mm，120 mm. The reaction is preceded at the rotating speed of 5 r/s，15 r/s，25 r/s respectively. The computation result shows that at a sim ilar rotating speed，when the spacing of draft tube is 80 mm，the average speed of velocity distribution over the characteristic impact surface of reactor can reach a maximum value，and the performance of mass transfer under this structure is the best. Under the same condition，the impinging spacing w ith D=60 mm can come up to a maximum root-mean-square deviation in the radial velocity distribution of impinging surface，which indicates that in this zone of structure there is a great velocity gradient which is facilitated to the turbulent m ixing of shear in the reactor.

impinging stream reactor；numerical simulation；average speed；velocity gradient

TQ 05

A

1000-6613（2012）06-1210-05

2011-12-06；修改稿日期：2011-12-27。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51006076）。

及聯(lián)系人：楊俠（1978—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛み^(guò)程機(jī)械、流體力學(xué)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)。E-mail liufl1020@163.com。